一种基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，包括依次串联且集成在4H-SiC衬底上的：紫外探测器、RGC输入电路、电压增益电路和输出电路，前述RGC输入电路采用4H-SiC?MESFET器件设计，由共栅级放大电路和共源级放大电路级联构成反馈；还包括：两端分别与电压增益电路的输入端、输出电路的输出端连接的负反馈电路。本发明的有益之处在于：通过RGC输入电路、电压增益电路和输出电路有效的转移了电路主极点，拓展了电路带宽；基于4H-SiC衬底，具有抗高温、抗高功率、抗辐射的优点，能在其它接收机不能适应的恶劣环境下工作；电路有较宽的带宽与低的电路噪声，适用于紫外光通信，可以应用在卫星探测等领域。
【专利说明】一种基于4H-S i C衬底的单片集成紫外光接收机前端放大 电路
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种紫外光接收机前端放大电路，具体涉及一种基于4H-SiC衬底的 单片集成紫外光接收机前端放大电路，属于电学【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着信息产业的不断发展，光通信网络正变的越来越重要。依靠大的传输容量与 不断增长的速度使得人们越来越青睐以光为载体进行信息的传播。把光子器件与电子器件 集成在一块衬底上的光电集成电路也随之诞生。光电集成电路具有体积小、重量轻、低噪 声、高的可靠性以及低的集成电感与电容等优点，使得其在电信系统、计算机系统、军事系 统以及光信息处理系统等领域中占有越来越重要的地位。
[0003] 近年来紫外光探测技术得到了迅猛的发展，并逐渐发展成为又一军民两用的光电 综合技术。军事方面，可用于导弹预警、导弹制导和紫外通信等方面；民用方面，主要应用于 测量空气中的紫外线含量、燃烧工程和紫外水净化处理等领域。随着技术的进一步提高，紫 外探测技术的应用前景和市场将更加广泛，现已成为世界各国研究发展的热点。
[0004] 用于紫外探测的光接收机得到了普遍关注。进而以紫外光为背景的光电集成电路 引起了人们的广泛兴趣，如何将系统中光发射机或接收机等部分的光子器件和电子器件集 成于同一芯片上成为了研究的热点。这种单片集成器件在性能和可靠性等方面具有传统电 路无法比拟的优越性。并且由于紫外探测技术一般应用在航空航天、人造卫星、太空探测等 恶劣环境下，这就要求所使用的材料要有在高温、高频、高功率、高辐照等条件下工作的能 力。第三代半导体凭借独特的优势，在高温大功率方面展现了良好的特性，得到了人们的大 量关注。这其中SiC材料由于禁带宽度大，是制作耐高温、耐腐蚀、抗辐射的理想材料，用来 解决高温、大功率以及极端环境的问题具有很大潜力。另外高的截止频率与大的击穿电压 特性也使它在光接收机前置放大器中的应用具有很好的优势。因此以SiC为基础的光接收 机模块的设计具有重要的意义。然而不论是光学器件还是SiC器件，目前都没有成熟的电 路模型进行电路设计，如果要利用微电子电路的模拟方法对光电集成电路（0EIC)进行模 拟分析，则需要首先建立它们的等效电路模型。
[0005] 在整个光接收机系统中，前置放大器是最为关键的器件，它决定了整个接收机系 统的灵敏度和带宽。前置放大器的作用是将光探测器输出的电流信号转换为电压信号。由 于光电探测器中输出的电流信号非常小，这就对前置放大器的带宽与噪声提出了要求，一 般提高带宽的方法有电感峰化、共源级输入等。但是这些方法存在有一定的不足之处，例 如：用电感峰化技术会使得芯片面积较大，同时电感的引入会增加电路信号的延迟，另外电 感峰化技术不适合集成。共源级输入能够提高电路的噪声性能和线性度，但是对输入电容 影响的抑制作用差。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种基于4H_SiC衬底的、结构简单、具有更宽的带宽和更 低的噪声的单片集成紫外光接收机前端放大电路。
[0007] 为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
[0008] -种基于4H_SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，包 括：
[0009] 紫外探测器仏：阳极与RGC输入电路的输入端连接、阴极与直流电压源V2的正极 连接，用来将接收到的紫外光信号转换为电流信号，
[0010] RGC输入电路：输入端与紫外探测器仏的阳极连接、输出端与电压增益电路的输 入端连接，用来将紫外探测器Α传来的电流信号转化为电压信号，同时屏蔽紫外探测器仏 的电容，拓展电路带宽，
[0011] 电压增益电路：输入端与RGC输入电路的输出端连接、输出端与输出电路的输入 端连接，用来进一步放大RGC输入电路输出的信号，提高输出信号的增益，
[0012] 输出电路：输入端与电压增益电路的输出端连接，用于驱动后续电路，并且隔离内 部电路与后续电路，
[0013] 前述紫外探测器Ui、RGC输入电路、电压增益电路、输出电路集成在4H-SiC衬底 上。
[0014] 前述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前 述RGC输入电路采用4H-SiC MESFET器件设计，由共栅级放大电路和共源级放大电路级联 构成反馈，
[0015] 前述共栅级放大电路由电阻Rd、Rs和晶体管M2组成，前述电阻R d的一端与电压VDD 连接、另一端与晶体管M2的漏端连接，前述电阻Rs的一端与晶体管仏的源端连接、另一端 接地，前述晶体管M 2的源端和漏端分别为共栅极放大电路的输入端和输出端，晶体管M2的 栅端通过共源级放大电路中的电阻&接电压VDD，形成共栅极结构，
[0016] 前述共源级放大电路由电阻&和晶体管Mi组成，前述晶体管Mi的源端接地、漏端 与电阻&的一端连接，电阻&的另一端连接到电压VDD，前述晶体管札的栅端和漏端分别 为共源级放大电路的输入端和输出端，
[0017] 前述共源级放大电路的输入端、输出端分别与共栅级放大电路的输入端、晶体管 M2的栅端连接，
[0018] 前述共栅极放大电路的输入端和输出端分别为RGC输入电路的输入端和输出端。
[0019] 前述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前 述电压增益电路由电阻札、R 2和晶体管M3构成，前述电阻Ri的一端与电压VDD连接、另一 端与晶体管M3的漏端连接，电阻R 2的一端与晶体管M3的源端连接、另一端接地，前述晶体 管M3的栅端和漏端分别为电压增益电路的输入端和输出端。
[0020] 前述的基于4H_SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前 述输出电路由晶体管M 4和电阻R构成，前述电阻R的一端与晶体管M4的源级连接、另一端 接地，前述晶体管M 4的漏极与电压VDD连接，晶体管M4的栅端和源端分别为输出电路的输 入端和输出端。
[0021] 前述的基于4H_SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前 述紫外探测器为4H_SiC紫外探测器。
[0022] 前述的基于4H_SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，前 述4H_SiC紫外探测器呈MSM结构，由两个背靠背的肖特基势垒二极管构成。
[0023] 前述的基于4H_SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，还 包括：负反馈电路，
[0024] 前述负反馈电路由电阻RF构成，前述电阻RF的两端分别与电压增益电路的输入 端、输出电路的输出端连接，起到稳定输出信号的作用。
[0025] 本发明的有益之处在于：
[0026] 1、通过RGC输入电路、电压增益电路和输出电路有效的转移了电路主极点，拓展 了电路带宽；
[0027] 2、基于4H_SiC衬底，具有抗高温、抗高功率、抗辐射的优点，能在其它接收机不能 适应的恶劣环境下工作；
[0028] 3、电路有较宽的带宽与低的电路噪声，适用于紫外光通信，可以应用在卫星探测 等领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的紫外光接收机前端放大电路的组成原理图；
[0030] 图2是本发明的紫外光接收机前端放大电路的电路图；
[0031] 图3是图2中的呈MSM结构的紫外探测器的等效电路图。
[0032] 图4是本发明的紫外光接收机前端电路的仿真的频率特性曲线图；
[0033] 图5是本发明的紫外光接收机前端电路的仿真的瞬态特性曲线图；
[0034] 图6是本发明的紫外光接收机前端电路的仿真的输入噪声特性曲线图。
【具体实施方式】
[0035] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
[0036] 参照图1和图2,本发明的基于4H_SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电 路包括：紫外探测器1 RGC输入电路、电压增益电路和输出电路，并且紫外探测器I RGC 输入电路、电压增益电路和输出电路均集成在4H-SiC衬底上。其中：
[0037] 1、紫外探测器仏用来将接收到的紫外光信号转换为电流信号，其阳极与RGC输入 电路的输入端连接，阴极与直流电压源V 2的正极连接，V2的负极接地，紫外探测器U1的两 端并联有一电阻Rg，电阻R g是紫外探测器Α的负载。
[0038] 作为一种优选的方案，紫外探测器UiSffl-SiC紫外探测器。更为优选的是， 4H_SiC紫外探测器A呈MSM结构，由两个背靠背的肖特基势垒二极管构成。正常工作时两 个二极管耗尽区相连，并且具有相同的电场方向，当偏置在足够大的电压下，总是有一个二 极管处于反向偏置，因此具有小的反偏电流与高的响应度。
[0039] 基于MSM结构紫外探测器的工作原理，从载流子连续性方程出发，建立其等效电 路模型，如图3所示。该电路模型有三个端点，P in端点为虚拟端口，利用电信号模拟光信号 的输入，ΝΑ、NB两端点依次为探测器的正极与负极。
[0040] 由于紫外探测器的MSM平面结构简单，所以MSM结构的紫外探测器与场效应管有 良好的兼容性。
[0041] 2、RGC输入电路用来将紫外探测器Ui传来的电流信号转化为电压信号，同时屏蔽 紫外探测器Α的电容，拓展电路带宽，RGC输入电路的输入端与紫外探测器仏的阳极连接， 输出端与电压增益电路的输入端连接。
[0042] 3、电压增益电路用来进一步放大RGC输入电路输出的信号，提高输出信号的增 益，电压增益电路的输入端与RGC输入电路的输出端连接，输出端与输出电路的输入端连 接。
[0043] 4、输出电路的输入端与电压增益电路的输出端连接。输出电路用于驱动后续电 路，并且隔离了内部电路与后续电路，从而提高了前端放大电路的驱动能力。
[0044] 作为一种优选的方案，参照图1和图2,本发明的基于4H_SiC衬底的单片集成紫 外光接收机前端放大电路还包括：负反馈电路。负反馈电路由电阻R F构成，电阻RF的一端 与电压增益电路的输入端连接、另一端与输出电路的输出端连接，当输出信号增加时，电阻 RF(负反馈电路）将高电平反馈回电压增益电路的输入端，由晶体管M3将晶体管M3的漏端 电位拉低，该信号又作为晶体管仏的栅电位，因此晶体管M 4源极跟随器的输出信号降低，即 输出电路的输出电位下降，从而起到了稳定输出信号的作用，反之亦然。
[0045] 在本发明中，RGC输入电路优选采用4H-SiC MESFET器件设计，并且其由共栅级放 大电路和共源级放大电路级联构成反馈。下面分别介绍共栅级放大电路和共源级放大电 路。
[0046] 参照图2,共栅级放大电路由电阻Rd、Rs和晶体管仏组成，其中，电阻R d的一端与 电压VDD连接、另一端与晶体管M2的漏端连接，电阻Rs的一端与晶体管仏的源端连接、另一 端接地。晶体管仏的源端为共栅极放大电路的输入端，晶体管仏的漏端为共栅极放大电路 的输出端，晶体管M 2的栅端通过共源级放大电路中的电阻&接电压VDD，形成共栅极结构。
[0047] 参照图2,共源级放大电路由电阻&和晶体管札组成，晶体管札的源端接地、漏端 与电阻&的一端连接，电阻&的另一端连接到电压VDD。晶体管札的栅端为共源级放大电 路的输入端，晶体管A的漏端为共源级放大电路的输出端。
[0048] 共栅级放大电路和共源级放大电路之间的连接关系如下：共源级放大电路的输入 端即晶体管A的栅端与共栅级放大电路的输入端即晶体管M2的源端连接，共源级放大电路 的输出端即晶体管A的漏端与晶体管仏的栅端连接，从而形成负反馈环路，能够有效稳定 共栅极放大电路的输出信号。
[0049] 在共栅级放大电路和共源级放大电路中，共栅极放大电路的输入端即晶体管M2的 源端为RGC输入电路的输入端，RGC输入电路的输入端与紫外探测器仏的阳极连接；共栅 极放大电路的输出端即晶体管M 2的漏端为RGC输入电路的输出端，RGC输入电路的输出端 与电压增益电路的输入端连接。
[0050] 作为一种优选的方案，参照图2,电压增益电路由电阻札、R2和晶体管％构成，其 中，电阻札的一端与电压VDD连接、另一端与晶体管M 3的漏端连接，电阻R2的一端与晶体 管％的源端连接、另一端接地。晶体管％的栅端为电压增益电路的输入端，电压增益电路 的输入端与RGC输入电路的输出端即晶体管M 2的漏端连接；晶体管M3的漏端为电压增益电 路的输出端，电压增益电路的输出端与输出电路的输入端连接。
[0051] 作为一种优选的方案，参照图2,输出电路由晶体管M4和电阻R构成，其中，电阻R 的一端与晶体管M4的源级连接、另一端接地，晶体管M4的漏极与电压VDD连接。晶体管M 4 的栅端为输出电路的输入端，输出电路的输入端与电压增益电路的输出端即晶体管m3的漏 端连接；晶体管M4的源端为输出电路的输出端，输出电路的输出端与负反馈电路的一端连 接，负反馈电路的另一端与电压增益电路的输入端连接。
[0052] 通过在PSpcie中仿真，我们得到了整体电路的幅频特性、瞬态特性以及等效输入 噪声曲线，分别参见图4、图5和图6。
[0053] 由此可见，采用4H_SiC MESFET设计的单片集成紫外光接收机前端放大电路具有 良好的特性：带宽更宽，噪声更低。
[0054] 需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变 换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其特征在于，包括： 紫外探测器A :阳极与RGC输入电路的输入端连接、阴极与直流电压源V2的正极连接， 用来将接收到的紫外光信号转换为电流信号， RGC输入电路：输入端与紫外探测器仏的阳极连接、输出端与电压增益电路的输入端 连接，用来将紫外探测器A传来的电流信号转化为电压信号，同时屏蔽紫外探测器仏的电 容，拓展电路带宽， 电压增益电路：输入端与RGC输入电路的输出端连接、输出端与输出电路的输入端连 接，用来进一步放大RGC输入电路输出的信号，提高输出信号的增益， 输出电路：输入端与电压增益电路的输出端连接，用于驱动后续电路，并且隔离内部电 路与后续电路， 所述紫外探测器A、RGC输入电路、电压增益电路、输出电路集成在4H-SiC衬底上。
2. 根据权利要求1所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其 特征在于，所述RGC输入电路采用4H-SiCMESFET器件设计，由共栅级放大电路和共源级放 大电路级联构成反馈， 所述共栅级放大电路由电阻Rd、Rs和晶体管M2组成，所述电阻R d的一端与电压VDD连 接、另一端与晶体管M2的漏端连接，所述电阻Rs的一端与晶体管M2的源端连接、另一端接 地，所述晶体管M 2的源端和漏端分别为共栅极放大电路的输入端和输出端，晶体管仏的栅 端通过共源级放大电路中的电阻&接电压VDD，形成共栅极结构， 所述共源级放大电路由电阻&和晶体管A组成，所述晶体管A的源端接地、漏端与电 阻&的一端连接，电阻&的另一端连接到电压VDD，所述晶体管札的栅端和漏端分别为共 源级放大电路的输入端和输出端， 所述共源级放大电路的输入端、输出端分别与共栅级放大电路的输入端、晶体管％的 栅端连接， 所述共栅极放大电路的输入端和输出端分别为RGC输入电路的输入端和输出端。
3. 根据权利要求1所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其 特征在于，所述电压增益电路由电阻Ri、R 2和晶体管M3构成，所述电阻&的一端与电压VDD 连接、另一端与晶体管M3的漏端连接，电阻R2的一端与晶体管％的源端连接、另一端接地， 所述晶体管M 3的栅端和漏端分别为电压增益电路的输入端和输出端。
4. 根据权利要求1所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其 特征在于，所述输出电路由晶体管M4和电阻R构成，所述电阻R的一端与晶体管M 4的源级 连接、另一端接地，所述晶体管M4的漏极与电压VDD连接，晶体管M4的栅端和源端分别为输 出电路的输入端和输出端。
5. 根据权利要求1所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其 特征在于，所述紫外探测器为4H-SiC紫外探测器。
6. 根据权利要求5所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前端放大电路，其 特征在于，所述4H-SiC紫外探测器呈MSM结构，由两个背靠背的肖特基势垒二极管构成。
7. 根据权利要求1至6任意一项所述的基于4H-SiC衬底的单片集成紫外光接收机前 端放大电路，其特征在于，还包括：负反馈电路， 所述负反馈电路由电阻RF构成，所述电阻RF的两端分别与电压增益电路的输入端、输
【文档编号】H03F1/26GK104092441SQ201410276761
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年8月5日 优先权日:2014年8月5日
【发明者】张军琴, 崔瑜强, 李娅妮 申请人:西安电子科技大学